[发明专利]一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法

说明书

本发明公开了一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，包括：步骤一：通过隧道平面图获取监测断面的基准面F；将距离基准面F的距离小于阈值d的点云数据垂直投影至基准面F，获得点云数据在监测断面上的投影；按顺序连接点云数据的投影，获得监测断面的实测断面；步骤二：通过隧道设计图获得监测断面的标准断面，将实测断面和标准断面通过基点统一到同一坐标系中形成对比图；步骤三：使用测线法建立标准断面的标准测点与实测断面的实测测点的对应关系。本发明基于三维激光点云数据，通过提取断面将三维点云数据转换为二维实测断面数据，再通过测线法，建立隧道标准设计断面上任一点与二维实测断面的对应关系。

技术领域

本发明属于隧道监控量测技术领域，特别是一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，能够快速完成隧道水平收敛和拱顶沉降的监控量测。

背景技术

隧道变形，是指隧道由于受地面或者周边建筑物负载以及土体扰动、隧道周边工程施工及隧道工程结构施工等对隧道产生的综合影响所造成的隧道变形。变形监测的主要目的是要获取目标物在不同时间段的相对变化，变化越大代表形变越大。传统的隧道变形量测技术多采用接触式量测法，测量效率低且对施工干扰大。人工读取数据导致真实性和精度的稳定性都无法保证，量测数据缺少作为设计变更依据的权威性。且传统的水准仪、全站仪、收敛计等都采用的是单点式数据釆集模式。虽然其监测精度较高，但需在被测处放置特定装置，测量工作量大、成本高、效率低。而且在地形复杂地区测量难度较大，不能确保人员的安全。摄影测量方法获取的是区域的影像数据，数据量虽然大，但其精度较低。相比之下，采用三维激光扫描仪进行数据采集时在被测处不用放置特定的测量装置，实现了点对面的数据采集模式。克服了传统数据釆集方法中速度慢、人力要求高等缺点，具有测量速度快、人力要求低、可靠性强等优点。三维激光扫描技术改变了传统的单点变形观测模式，使传统的点测量向“形测量”转化。并且可以对测量人员不能直接到达的地方进行扫描工作，相对于传统的数据釆集方法具有作业周期快，容易操作，测量覆盖范围广等优点，是快速获取被测体数据更为有效的途径。

三维激光扫描技术相较于一般的隧道变形量测技术优势突出，可直接获取扫描目标物体表面的三维坐标。主要优点实现了无合作目标高精确度测量，数据的自动无线传输并可以点云的方式获得整个观测物的表面空间信息，通过对点云数据的分析可以得到建筑工程的变形情况，其变形分析方法也有很大的改进，将传统的固定单点分析拓展为整体分析。如此能更好地获取建筑工程的变形信息。所以三维激光扫描技术在大型工程的变形监测方面有着非常重要的作用。

一般的基于三维激光扫描的变形量测技术分为两种：与设计值比较、两期点云数据比较进行形变分析。与全站仪测量结果进行比较确定激光点云数据是一种更为有效可靠的形变监测手段。但以上变形分析方法只能体现隧道整体的变形结果，难以反映隧道变形关键控制点的变形历程。

发明内容

本发明提供了一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，实现对大变形隧道变形收敛情况的快速量测与分析。

实现本发明目的技术方案如下：

一种基于三维激光扫描点云数据的隧道大变形量测方法，包括：

步骤一：通过隧道设计平面图获取隧道中线L'，找到监测断面的对应里程在L'上的对应点P'，过点P'作L'的垂线V'，通过V'的铅垂面即为该监测断面的基准面F；将距离基准面F的距离小于阈值d的点云数据垂直投影至基准面F，获得点云数据在监测断面上的投影；按顺序连接点云数据的投影，获得监测断面的实测断面；

步骤二：通过隧道设计图获得监测断面的标准断面，将实测断面和标准断面通过基点统一到同一坐标系中形成对比图；

步骤三：使用测线法建立标准断面的标准测点与实测断面的实测测点的对应关系；所述测线法包括水平测线法和垂直测线法，具体为：

水平测线法，包括：